隱形材料在軍事中的應(yīng)用1資料

1、皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）隱身材料在軍事中的應(yīng)用作 者：指導(dǎo)老師：摘要：伴隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，隱形材料已經(jīng)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于軍事和科技中。根據(jù)隱形材 料的原理，隱形材料可以大致分為吸波和透波隱形材料。隱形材料主要用于軍事中，隱形飛機(jī)主要的原理 分三點(diǎn)，形隱，吸波圖層，紅外隱身。而隱身材料的發(fā)展是伴隨著軍事探測(cè)和制導(dǎo)技術(shù)不斷發(fā)展而發(fā)展的， 從起初的可見(jiàn)光隱身材料到現(xiàn)在的激光隱身材料，隱身材料的研究和發(fā)展一直在不斷進(jìn)行著。無(wú)論哪種隱 身材料，今后的發(fā)展趨勢(shì)都向著質(zhì)量輕、頻帶寬、高效率、使用耐久的方向發(fā)展。并且，隨著科技的不斷 進(jìn)步，以往的那種單一隱身材料已經(jīng)無(wú)法躲避復(fù)雜的探測(cè)手段了，因此

2、多波段兼容的隱身材料也將會(huì)成為 未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵字：隱形材料；吸波原理Application of stealth materials in the militaryAbstract: With the development of science and technology and the progress of the society, contact material has been more and more widely application and military and technology. According to the principle of contact

3、 materials, contact materials can be roughly divided into absorbing and transparent stealth materials. Stealth material is mainly used for military, stealth aircraft main principle is divided into three points, letters, absorbing layer, infrared stealth. While the development of stealth materials is

4、 accompanied by the development of military detection and guidance technology, from the beginning of visible light stealth material to the laser stealth stealth materials, research and development of materials for has been ongoing. No matter what kind of stealth materials, the future development tre

5、nd towards the light quality, wide frequency band, high efficiency, durable use direction. And, with the progress of science and technology, the sort of single stealth materials have been unable to escape the detection method of complex, therefore multispectral compatible camouflage materials will b

6、ecome the development trend of the futureKey words: stealth material ; Absorbing principle引言：在無(wú)線電技術(shù)和雷達(dá)探測(cè)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，電子和通信設(shè)備已經(jīng)向著靈敏、密集、 高頻率和多樣化的趨勢(shì)發(fā)展，這不僅僅引發(fā)電磁波干擾、電磁污染，更為重要的是導(dǎo)致電磁 信息泄漏，軍用的電子設(shè)備的電磁輻射極有可能成為對(duì)方偵察的渠道。為消除以及降低導(dǎo)彈 陣地的電磁干擾、減少陣地的電磁泄漏，需要大大提高軍事在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的抗電磁干擾和生 存能力。高放能、寬頻帶的電磁波吸波、屏蔽材料的研究開(kāi)發(fā)影響巨大。而吸波材料作為當(dāng) 今時(shí)代的

7、一種重要的軍事隱身功能材料，按其材料的吸波損耗原理可分為電阻型、電介質(zhì)和 磁介質(zhì)型三種。其基本理論原理就是：材料本身對(duì)于入射的電磁波進(jìn)行有效利用和吸收之后， 會(huì)將電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式的能量，最終排除出去。這種材料會(huì)具備兩種特性， 首先是波阻的抗匹配性（波阻抗匹配特性即為入射電磁波在材料表面的反射系數(shù)最小，從而 盡最大概率的從表面進(jìn)人介質(zhì)內(nèi)部）；其次就是衰減的特性（衰減特性是指進(jìn)入材料內(nèi)部的電 磁波被迅速“消化”掉），耗損的大小情況可用電損耗因子和磁損耗因子來(lái)表示。最后，對(duì)于 單一組元的吸收體，阻抗匹配和強(qiáng)吸收之間會(huì)存在矛盾，所以有必要進(jìn)行材料的多元復(fù)合， 以達(dá)到調(diào)節(jié)電磁參數(shù)，使它盡可

8、能在匹配條件下，提高吸收損耗能力的目的。吸波材料的性 能差異與否，主要取決于兩個(gè)方面，一是吸波劑的損耗，二是吸收能力的強(qiáng)弱。因此，我們 在研制吸波材料的重點(diǎn)之一就在于吸波劑的研發(fā)。1隱形材料的定義隱身材料（即電磁吸波材料）是實(shí)現(xiàn)武器隱身的物質(zhì)基礎(chǔ)，最早的應(yīng)用是在軍事的隱身 技術(shù)中。武器使用隱形材料，不但可以極大的提高生存率，還可以大大的增加其原有的攻擊 性能，獲得最直接的軍事效益。因此隱身材料的發(fā)展，在飛機(jī)、主戰(zhàn)坦克、艦船、箭彈上應(yīng) 用與否，未來(lái)將成為國(guó)防高技術(shù)的重要組成部分。2隱形材料的分類根據(jù)材料隱身的原理，吸波材料主要可以分為吸波和透波兩種材料。按其功能的不同可劃分為：雷達(dá)隱身材料、紅外

9、隱身材料、可見(jiàn)光隱身材料、激光隱身 材料、聲納隱身材料以及多功能隱身材料即同時(shí)具備多種隱身功能的材料，已經(jīng)發(fā)展了紅外 雷達(dá)、紅外激光雷達(dá)、可見(jiàn)光紅外等雙重功能隱身材料和寬頻帶雷達(dá)隱身材料，正在研究可 見(jiàn)光紅外雷達(dá)、紅外雷達(dá)激光雷達(dá)等多功能隱身材料。根據(jù)吸收劑的不同，吸波材料可以分以下幾類：鐵氧體吸波材料、染基鐵吸波材料、金 屬超細(xì)粉末或金屬氧化物磁性超細(xì)粉末吸波材料、陶瓷吸波材料、等離子體吸波材料、納米 吸波材料、放射性同位素吸波材料、導(dǎo)電高分子吸波材料、視黃基席夫堿鹽類吸波材料、手 征性吸波材料、摻雜高損物吸波材料、稀土元素吸波材料。2.1 雷達(dá)吸波材料雷達(dá)吸波材料技術(shù)是指能有效地吸收入射雷

10、達(dá)波從而使其目標(biāo)的回復(fù)波強(qiáng)度顯著減少的 技術(shù)。形隱身只能通過(guò)改變目標(biāo) RCS（雷達(dá)散射截面）的空間分布，使之在主要的威脅方向達(dá) 到隱身的目的，而雷達(dá)吸波材料隱身則依靠材料的吸收性能 ，降低目標(biāo)總的回波強(qiáng)度，在所有 方向上達(dá)到同時(shí)減小RCS的隱身效果。雷達(dá)吸波材料按其功能或材料成型工藝和承載能力， 雷達(dá)吸波材料可分為涂敷型吸波材料和結(jié)構(gòu)型吸波材料兩種。材料的吸波性能主要由其微波頻率下的復(fù)磁導(dǎo)率 u和復(fù)介電常數(shù)e來(lái)決定，所以純粹的 磁損耗型吸波材料或電損耗型吸波材料都不是最理想的抉擇。同時(shí)兼具磁損耗和電損耗的吸 波材料才是未來(lái)科技發(fā)展的走向。2.2 納米隱身材料納米材料是指材料組分的特征尺寸限制于

11、納米量級(jí)的材料。它獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其自身在較 寬的頻率范圍內(nèi)顯示出均勻的電磁波吸收特性。納米材料之所以具有優(yōu)異的吸收電磁波性能，其原因：一是納米材料的界面組元占有比例大，顆粒表面原子比例高，不飽和鍵和懸掛鍵增多，大量懸掛鍵的存在使界面極化，吸收 頻帶變寬；二是納米微粒尺寸極小，比表面積大，界面極化與多重散射成為納米材料重要的 吸波機(jī)制。納米材料量子尺寸效應(yīng)使電子能級(jí)分裂，分裂的能級(jí)間隔處于微波的能量范圍 （0.01eV0.0001eV）內(nèi)，為納米材料創(chuàng)造了新的吸波通道； 三是納米材料中的原子和電子在 微波場(chǎng)中的輻射，材料的原子和電子運(yùn)動(dòng)加劇，促使磁化，通過(guò)電磁能轉(zhuǎn)化成熱能，增強(qiáng)了 對(duì)電磁波的吸收，

12、使電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的效率增加，從而提高了對(duì)電磁波的吸收性能；四是 納米隱身材料具有質(zhì)量輕、厚度薄、吸收頻帶寬、兼容性好等特點(diǎn)。添加了納米材料的隱身 涂料，具有吸波性能強(qiáng)、密度小、可實(shí)現(xiàn)薄層涂裝的優(yōu)點(diǎn)，還具有高的力學(xué)性能、良好的環(huán) 境穩(wěn)定性和理化性能；五是由于納米微粒有較高的矯頑力，磁滯損耗較多，能夠較好的將吸 收的雷達(dá)波信號(hào)轉(zhuǎn)化為其他形式的能量消耗掉。納米吸波材料因?yàn)槠淞己玫奈ㄐ阅苁艿搅耸澜绶秶膹V泛關(guān)注，目前研究表明，納米 吸波材料的性能是頻段多、頻帶寬、吸收強(qiáng)及質(zhì)量輕等，無(wú)論是在軍事還是民用方向上都體 現(xiàn)了重要的意義。3隱身材料的應(yīng)用隱身材料的主要應(yīng)用是在軍事方面， 在2003年的伊拉克

13、戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍派出了各種飛機(jī)作 戰(zhàn)，包括戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)，運(yùn)輸機(jī)以及直升機(jī)等等。B-1B、B-52II和B-2 （見(jiàn)圖1）, F-117等也包含其中。B-2是美軍最先進(jìn)的戰(zhàn)略隱形轟炸機(jī)，也是世界上唯一實(shí)戰(zhàn)部署的隱形轟炸 機(jī)。在這次戰(zhàn)中中，B-2曾經(jīng)多次參與空中作戰(zhàn)。圖1美國(guó)B-2隱形轟炸機(jī)3.1 隱形飛機(jī)“隱形”的原理隱形飛機(jī)之所以能“隱身”，主要是通過(guò)減少電、光、聲音等一些可以被探測(cè)或者發(fā)現(xiàn)的 信號(hào)，使雷達(dá)等防空探測(cè)器不能夠早期發(fā)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了削弱飛機(jī)的這些性征，飛機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)于外形來(lái)說(shuō)采用了非常規(guī)的辦法，消除小于或等于90。的外形夾角，而發(fā)動(dòng)機(jī)的氣口，則一 般都設(shè)置于機(jī)身背部或者機(jī)翼上，采用矩

14、形設(shè)計(jì)并朝上翻。2個(gè)垂直尾翼均向外斜置，機(jī)翼同 機(jī)身融為一體，使飛機(jī)對(duì)所有入射雷達(dá)波形成一種鏡面反射，減小雷達(dá)回波。而對(duì)于材料的使 用，主要采用吸波性能好頻帶寬耐熱的復(fù)合材料 ，并在表面涂覆放射性同位素涂層，通過(guò)同位 素放射高能粒子，使周圍空氣形成等離子屏障。在離子與電磁波相互作用過(guò)程中，吸收雷達(dá)波和紅外輻射，整機(jī)雷達(dá)反射面降到1平方米以下。即使這一點(diǎn)反射，也因通過(guò)等離子體的繞射、 散射而造成雷達(dá)測(cè)量上的誤差，從而達(dá)到“隱身”的效果。3.2 隱形飛機(jī)的隱形方法3.2.1 外形這個(gè)原理很容易理解，若你拿起一面鏡子，對(duì)著自己，如果你可以看見(jiàn)自己，那么說(shuō)明 這個(gè)波被按照原路返回了。那么對(duì)于雷達(dá)來(lái)講呢

15、，這就是飛機(jī)被發(fā)現(xiàn)了。但是如果把鏡子的 角度稍微轉(zhuǎn)換一下，就會(huì)看不見(jiàn)自己，說(shuō)明這個(gè)波被偏轉(zhuǎn)走了，沒(méi)有原路返回，相對(duì)于雷達(dá) 來(lái)說(shuō)這個(gè)波發(fā)射出去，沒(méi)能原路回到接收機(jī)上，那雷達(dá)就無(wú)法發(fā)現(xiàn)隱形飛機(jī)了；所以我們知 道的隱身飛機(jī)，例如B-2的樣子，都是奇特的。3.2.2 吸波涂層第一種反射的方法有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，就是雷達(dá)對(duì)于飛機(jī)的位置要固定，不能變化。同 樣采用鏡子來(lái)說(shuō)，雖然偏轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，你在目前的位置看不到自己了，但是如果你稍微換 個(gè)位置，就又可以看到自己了，這時(shí)的隱形偏轉(zhuǎn)就失靈了。所以飛機(jī)還會(huì)涂上一層特殊材料 的涂層，這種涂層可以將入射到自己身上的波幾乎全部的吸收掉，而不是偏轉(zhuǎn)或者反射回去，這樣一來(lái)

16、雷達(dá)會(huì)因?yàn)榻邮懿坏椒祷夭ǘ綔y(cè)不到物體的位置?？墒菑奈覀?nèi)粘５氖找魴C(jī)可以 發(fā)現(xiàn)，收音機(jī)一般都分為FM和AM兩個(gè)不同的波段，這是因?yàn)殡姶挪ú煌牟ㄩL(zhǎng)特性是不一 樣的，所以，這樣一種隱身涂層也不是萬(wàn)能的，他只能針對(duì)特定的波長(zhǎng)吸收，對(duì)于不在這個(gè) 波長(zhǎng)段里的雷達(dá)波，它一樣無(wú)效，還是會(huì)被發(fā)現(xiàn)； 3.2.3 紅外隱身對(duì)于飛機(jī)來(lái)說(shuō)，其發(fā)動(dòng)機(jī)就是個(gè)巨大的熱源，非常燙，這樣一來(lái)，飛機(jī)在很遠(yuǎn)的地方就 會(huì)被紅外探測(cè)裝置所抓獲。為此，隱身飛機(jī)會(huì)把噴出的氣體提前和周圍的空氣進(jìn)行融合；或 者干脆將噴口的位置換到飛機(jī)的背上，用飛機(jī)自己的機(jī)體擋住這個(gè)噴口，以便紅外特側(cè)不容 易發(fā)現(xiàn)來(lái)降低紅外探測(cè)的距離。同樣的，這個(gè)降低也是有限

17、度，比如原來(lái)溫度是900度，現(xiàn)在混合一下，也最多降低到500度，相對(duì)于背景溫度的幾十度甚至零下幾十度來(lái)說(shuō)，還是很明顯。所以它也只能是降低紅外線的探測(cè)距離，而不是完全探測(cè)不到。 4隱身材料的機(jī)理電磁吸波材料能夠吸收投射到它表面的電磁波能量，并通過(guò)材料的損耗轉(zhuǎn)變成熱能等其 它形式的能量。4.1 材料吸收電磁波的基本條件首先，電磁波射入材料時(shí)能最大限度的進(jìn)入材料內(nèi)部 （匹配特性）；再則，進(jìn)入材料內(nèi)部 的電磁波能快速衰減掉（衰減特性）。想要實(shí)現(xiàn)這兩點(diǎn)的辦法是：通過(guò)采取特殊的邊界條件來(lái) 達(dá)到，而且需要材料具有很高的電磁損耗。當(dāng)雷達(dá)波通過(guò)自由空間時(shí)具有阻抗Zo,垂直投射到阻抗為Zi的半無(wú)限大的介質(zhì)表面，發(fā)

18、生反射，其反射系數(shù)由公式（1）決定，由公式（2）可知, 物體表面反射波阻抗與其表面磁導(dǎo)率 u和電容率之比的平方根成正比，因此，為使雷達(dá)波不 被反射，R必須為0,即理想條件Zi=Z0種吸波材料 由于其吸波機(jī)理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成、外形 及入射波、極化方式不同，其反射系數(shù)也不同。R=（1-Zi/Z0）/（1+Zi/Z0）（1）Zo=.0/ ；0Z1=Z0.r1/11（2）4.2 納米吸波材料的隱身機(jī)理根據(jù)吸波機(jī)理的不同，納米稀薄隱身材料主要可以分為兩大類：電損耗和磁損耗型。以 納米金屬粉體（如Fe、Ni等）與納米Si/C/N粉體為例，分析磁損耗型與電損耗型納米隱 身材料的吸波機(jī)理。金屬粉體（如Fe、Ni

19、等）隨著顆粒尺寸的減小，特別是達(dá)到納米級(jí)后，電導(dǎo)率很低，材 料的比飽和磁化強(qiáng)度降低，但磁化率和矯頑力急劇上漲。其在細(xì)化過(guò)程中，處于表面的原子 數(shù)越來(lái)越多，增大了納米材料的活性，因此在一定波段電磁波的輻射下，原子、電子運(yùn)動(dòng)加 劇，促進(jìn)磁化，使電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，從而增加了材料的吸波性能。一般認(rèn)為，其對(duì)電磁波 能量的吸收由晶格電場(chǎng)熱振動(dòng)引起的電子散射、雜質(zhì)和品格缺陷引起的電子散射以及電子與 電子之間的相互作用三種效應(yīng)來(lái)決定。4.3 雷達(dá)隱身材料的隱身機(jī)理雷達(dá)很早就應(yīng)用于軍事上，作為探測(cè)敵方信息的工具，因此它的隱身自始至終都受到人 們的關(guān)注，而且對(duì)于其的研究也從未終止過(guò)。雷達(dá)探測(cè)的機(jī)理主要是向一定的空

20、間發(fā)射高頻 的探測(cè)波，當(dāng)這種發(fā)射波碰到物體時(shí)就會(huì)反射回去部分波，通過(guò)接收方接收到的部分波就能 判定反射物的方位。如果能夠極大的減少反射波的能量，一直與反射的信號(hào)無(wú)法被接收，那就對(duì)于雷達(dá)的隱身目的就達(dá)到了。對(duì)于目標(biāo)雷達(dá)隱身效果的表征方式有很多，而最常用用來(lái) 表示的就是雷達(dá)波反射率。假設(shè)從雷達(dá)發(fā)射器發(fā)射出來(lái)的雷達(dá)電磁波的功率為Pi,經(jīng)過(guò)目標(biāo)后反射回來(lái)的電磁波功率為 Pr,那么功率反射率就為 R=Pr/Pi,很明顯雷達(dá)隱身要求此反射率要小。為了便于比較，通常用以分貝（dB）為單位的反射率R來(lái)表示，其中R=101gR。這樣, 由于功率反射率全部小于1,所以R為負(fù)值。因此，對(duì)于一定的目標(biāo)物，希望其R值越

21、小越好。如果采用雷達(dá)隱身材料，那么這種材料要能吸收或者透過(guò)雷達(dá)波，盡量減少用于探測(cè)的 反射波。對(duì)于一般的目標(biāo)物，通常很難透過(guò)大量雷達(dá)波，所以雷達(dá)隱身所用的材料以吸波材 料為主。5國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與應(yīng)用5.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀吸波材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用是隱身技術(shù)發(fā)展的重要精髓，是軍用建筑物用來(lái)實(shí)現(xiàn)隱身的基礎(chǔ)。 目前國(guó)內(nèi)的研制水平同國(guó)外還是具有很大的差距，還存在面密度高、柔韌性差、附著力低等 問(wèn)題，因此，還需要探究新的吸波材料，探討新的吸波機(jī)理以滿足吸波材料所追求的“輕、 薄、強(qiáng)、寬”的目標(biāo)。5.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外隱身材料和技術(shù)的研究是源始于第二次世界大戰(zhàn)的德國(guó)，發(fā)展在美國(guó)并擴(kuò)展到英、 法、俄羅斯等先進(jìn)國(guó)家

22、。目前，美國(guó)在這項(xiàng)領(lǐng)域的研究水平已經(jīng)領(lǐng)先于世界各國(guó)。在航空領(lǐng) 域，許多國(guó)家都已成功地將隱身技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)的隱身；在常規(guī)兵器方面，美國(guó)對(duì)坦克、導(dǎo) 彈的隱身也已開(kāi)展了不少工作，并陸續(xù)用于裝備，如美國(guó)M1A1坦克（見(jiàn)圖二）上采用了雷達(dá)波和紅外波隱身材料，前蘇聯(lián) T- 80坦克也涂敷了隱身材料。aqm-137導(dǎo)彈（見(jiàn)圖三）也采 用了隱身材料。圖2美國(guó)M1A1主戰(zhàn)坦克近年來(lái)，國(guó)外在不斷研究和改良傳統(tǒng)材料的同時(shí)，正在致力于其他新材料的探索。晶須材料、納米材料、陶瓷材料、手性材料、導(dǎo)電高分子材料等逐步應(yīng)用于雷達(dá)波和紅外隱身材料，使 涂層更加薄，質(zhì)量更加輕。納米材料因其具有極好的吸波特性，同時(shí)具備了寬頻帶、兼

23、容性 好、厚度薄等特點(diǎn)，國(guó)外部分國(guó)家已經(jīng)把其作為新一代的吸波材料在研制與開(kāi)發(fā)；80年代中期面向兵器系統(tǒng)毫米波的研究在國(guó)內(nèi)起步。通過(guò)不斷的努力，預(yù)研工作取得了較大進(jìn)展，該 項(xiàng)技術(shù)可用于各類地面武器系統(tǒng)的偽裝和隱身，如主戰(zhàn)坦克、155毫米先進(jìn)加榴炮系統(tǒng)及水陸兩用坦克。目前，第四代超音速飛機(jī)已經(jīng)在世界范圍開(kāi)始研制，其機(jī)體是由復(fù)合材料、翼身融合體 和吸波涂層構(gòu)成的，真正意義上具有了隱身功能，而電磁波吸收型涂料、電磁屏蔽型涂料已 開(kāi)始在隱身飛機(jī)上覆蓋；美國(guó)和俄羅斯的地對(duì)空導(dǎo)彈正在使用質(zhì)量輕、頻帶寬，吸收性能強(qiáng)、 熱穩(wěn)定性好的隱身材料?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隱身技術(shù)的研究和發(fā)展已經(jīng)成為世界各國(guó)國(guó)防的重要課 程之一。圖

24、3美國(guó)aqm-137號(hào)導(dǎo)彈6研究發(fā)展趨勢(shì)與展望傳統(tǒng)的隱形材料在于強(qiáng)調(diào)衰弱和減少信號(hào)，而新型的材料則主要采用的是復(fù)合技術(shù)，突 出低成本、零污染、重量輕、頻帶寬和實(shí)用性能強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)不同的環(huán)境變化和場(chǎng)合 的要求，因而需要研制和開(kāi)發(fā)新一代電磁屏蔽材料，探索寬頻帶、電磁參數(shù)頻散效應(yīng)不敏感 的新型損耗型介質(zhì)，將成為今后研究發(fā)展的方向。傳統(tǒng)吸波材料重點(diǎn)在于強(qiáng)大的吸收性能，但存在很多問(wèn)題，比如頻帶窄、效率低、密度 大等，于是應(yīng)用程度受到一定的限制。如今，新型的吸波材料四大特性：“薄、寬、輕、強(qiáng)”，同時(shí)呢，還應(yīng)該滿足耐高溫，抗輻射，應(yīng)用地域廣等更高的要求。為此，磁和電的統(tǒng)一是未 來(lái)吸波材料的研究方向。磁性高分子微球和導(dǎo)電聚合物的復(fù)合有可能